基于Zigbee的木材存儲室溫度監測系統設計

岳彥名

摘 要：通信技術及傳感器的不斷發展，造就了工業技術的不斷進步，通過ZigBee網絡和DS18B20傳感器相結合，以CC2530單片機為核心，實現了傳感節點自主加入網絡、監測環境、傳輸信息并適時發出警報的功能。本文設計基于ZigBee的木材存儲室溫度監測系統應用于監測木材存儲室溫度變化，達到起火提前預警。

關鍵詞：DS18B20;ZigBee;環境監測;CC2530

0 引言

隨著全球經濟的不斷發展，倉庫以及庫房的數量也不斷提升，存儲的規模也不斷壯大。我國作為一個造紙術開創的國家，造紙原料木材的存儲也不是少數，然而木材是一種生產及生活中非常常見的材料，原木或原木改造的初級產品往往呈垛或堆狀存放于倉庫中，當倉庫中存在可燃因子時，火災極易發生，且燃燒強度、蔓延速度極快，且非常難以控制。雖然有的倉庫可以監測溫度變化，但是依然沒有達到智能的效果，特別是在報警手段和問題處理上主要依賴人為因素，且由于其體系架構局限于局域網，基本是一個倉庫一套應用，普遍使用有線傳感器[1]。 因此，本設計使用ZigBee組網，使用必要的傳感器與執行器建立了一個低成本、高效率監測報警系統來保證倉庫的安全。

1 系統需求分析

當下大部分的倉儲監控系統主要是基于局域網的體系結構，它的基本原理是通過內部有線或者無線傳感器采集環境數據，然后將數據上傳到內部服務器的應用端，再根據控制策略對控制器發出指令但這種系統很難與廣域網的智能終端進行實時通訊、預警[1]。 隨著ZigBee 技術的出現，通過組網連接，實時監測溫度數據變化已經成為最佳選擇。

2 溫度監測報警系統設計

2.1系統工作原理

溫度監測報警系統由4部分構成，分別是：感知層，傳輸層，處理層以及應用層。感知層以DS18B20溫度傳感器監測外界環境溫度變化。傳輸層基于 ZigBee[2] 技術而設計，由終端節點、 路由節點以及協調器節點（內置于物聯網網關之中）構成無線傳輸網絡。處理層主要是完成對與CC2530單片機連接的外部接口的定義，以及對內存單位特殊定義，以及RAM內存處理。應用層則是當溫度保持在預設范圍內不被觸發，當溫度超過設定值發出報警。

3系統硬件設計

系統硬件包括 CC2530單片機，DS18B20溫度傳感器，蜂鳴器，ZigBee 節點，主要硬件的設計如下：

（1）CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能[3]。

（2）溫度傳感器是系統的核心，DS18B20溫度傳感器支持單總線接口，所有的傳感器部分和模數轉化電路都像晶體管一樣集成在一塊芯片。測量溫度的范圍為：-55℃——125℃，其中-10℃——85℃的精確度是±0.5℃[4]。由DS18B20溫度傳感器測量的溫度通過單接口總線傳輸，這樣提高了系統的抗干擾能力，使其可以在各種環境下正常的工作。

DS18B20溫度傳感器只有有一種供電方式，以第二管腳作為信號線;第三管腳接電源。此種供電方式有諸多不便，如增加了硬件電路的復雜化，增大了軟件控制的難度，降低芯片工作功能等等。實際上，將溫度傳感器結合單片機CC2530，以單片機供電使用。為了實現遠程控制，以溫度傳感器為終端加入組網。

（3）為了簡化電路和程序的調試，使用蜂鳴器為報警裝置。蜂鳴器由溫度傳感器控制，當溫度超過預先設定的溫度的最大、最小值時，P2.5輸出端口輸出低電平，使三極管導通，使蜂鳴器開始報警。

（4）組建一個完整的zigbee網狀網絡包括兩個步驟：網絡初始化、節點加入網絡。其中節點加入網絡又包括兩個步驟：通過與協調器連接入網和通過已有父節點入網。ZigBee網絡中的節點主要包含三個：終端節點、路由器節點、協調器節點[5]。

1.協調器節點：ZigBee協調器是網絡各節點信息的匯聚點，是網絡的核心節點，負責組建、維護和管理網絡，并通過串口實現各節點與上位機的數據傳遞;ZigBee協調器有較強的通信能力、處理能力和發射能力，能夠把數據發送至遠程控制端。

2.路由器節點：負責轉發數據資料包，進行數據的路由路徑尋找和路由維護，允許節點加入網絡并輔助其子節點通信;路由器節點是終端節點和協調器節點的中繼，它為終端節點和協調器節點之間的通信進行接力。

3.終端節點：終端節點可以直接與協調器節點相連，也可以通過路由器節點與協調器節點相連。

實驗中組建星型拓撲網絡，由一個網絡協調器和一個或多個終端設備節點組成，所有的終端設備與網絡協調器通信。系統通過網絡初始化和已有父節點直接加入網絡。

4實驗測試與驗證

本次設計通過單片機CC2530兩臺，溫度傳感器DS18B20，蜂鳴器結合ZigBee組網技術，實現溫度監測報警處理，組網連接等功能。

溫度傳感器作為終端，協調器作為采集節點，建立起ZigBee無線通信網絡，然后等待傳感器加入。當藍色指示燈全部亮起，表示溫度傳感器成功加入網絡，然后開始對環境進行監測，并將采集的數據通過網絡傳輸到協調器。協調器獲取到信息后，在對所收集到的信息進行分析，比對事先設定的警報溫度值，當達到指定溫度數值時蜂鳴器報警，沒有達到警戒溫度，則繼續對溫度進行監測。

5 總結

本設計是一種基于Zigbee的木材存儲室溫度監測系統，首先對系統功能進行簡要描述，然后對系統的硬件組成進行設計，最后通過測試結果表明系統對木材存儲室溫度的監控，具有很強的可行性。

參考文獻：

[1]基于ZigBee 的倉庫智能環境監控系統設計[J].智能物聯技術，2019，51（3），55-58.

[2]王超穎， 孫進生.基于 ZigBee 和 Wi-Fi 的智能家居網關設計[J].工業控制計算機，2017，12，88-89.

[3]王海珍，廉佐政，滕艷平.cc2530單片機多點溫度采集實驗設計[J].實驗室研究與探索，2018，37（12），98-101，106

[4]張偉，胡雄強，王明倩，任康.一種基于物聯網家居系統設計[J]，2019，（3），48-51

[5]謝艦鋒.物聯網下室內溫度智能控制系統優化設計[J].電子設計工程，2018，26（16），67-71.